『壹』 文字轉語音晶元（單片機用）
45Microcontrollers & Embedded Systems2002.12
新器件新技術 NEW PRODUCT & TECH
用EP7211實現傳呼信息實時語音合成和播放
■ 鄭州解放軍信息工程大學 胡澤明 王鵬
摘 要
關鍵詞
闡述在一款集成傳呼功能的二合一PDA系統中,使用嵌入式處理器EP7211實現個人傳呼信
息的實時語音合成和播放的功能,主要包括字元語音庫的建立,字元語音合成演算法和Codec
語音中斷服務常式等3部分.
PDA G.729 語音庫 語音合成
引 言
PDA(Personal Digital Assitant,個人數字助理)
是近年來繼尋呼機和行動電話之後,在國內市場迅
速崛起的攜帶型電子產品.就其擴展意義來講,它
能夠集成移動計算,電話和網路等多種功能.根據
不同的應用需求,它可以管理個人信息,提供名片
存儲和日程安排,也可以接收各種尋呼信息(如股
市,天氣預報等).如果是集成通信模塊,還可以
作為行動電話使用,進行無線網路互聯.廣義的
PDA包括簡單的電子記事本,電子辭典和功能強大
的掌上電腦,它們的主要區別表現在操作系統,存
儲能力,運算速度和數據交換能力等方面.
目前國內傳統PDA產品經過幾年的高速發展
後,市場基本飽和,銷售額出現負增長.不過由於
PDA產品的靈活性,有針對性的行業應用作為一個
新亮點,開始為人們所關注.經過行業應用改造後
的PDA產品,已經在國內市場大顯身手.文曲星
展現超強的語言翻譯能力,比較適合於大學生和語
言翻譯者使用;藍火系列能實時接收股市信息和
專家點評,適合工薪階層的炒股者.國家信息產業
部已經鼓勵PDA產品在交通,警務,保險等領域
的行業應用和推廣.
分析市場需求,我們研發了集成傳呼功能的,
專門面向鐵路交通行業應用的鐵路交通信息系統
PDA.本PDA系統除了具備傳統PDA的個人名片
管理和辭典檢索等功能外,同時提供交通行業應用
的民航航班查詢,鐵路列車時刻表查詢等功能.
本PDA的尋呼系統實現如下功能:能夠通過尋
呼對列車時刻表,列車晚點信息,列車剩餘票額,
股道信息等行業數據進行動態更新.作為另一個特
色,當接收到個人尋呼時,能夠將尋呼內容實時地
轉換成語音並播放.
下面重點介紹本PDA系統中使用嵌入式處理
器EP7211實現個人尋呼內容的實時語音轉換和播
放.該功能的實現包含前後相關的3個部分:字元
語音庫的建立,字元的語音合成演算法和Codec語音
中斷服務常式.
1實現條件和要求
PDA屬於嵌入式應用系統,其同一般PC機有
很大差別.硬體方面,嵌入式處理器基於RISC體
系結構,一般工作頻率在幾十MHz,甚至更低;系
統內存容量一般在幾百KB~幾MB之間;一般使用
容量小的ROM或者Flash作為硬碟來存儲可執行程
序和數據.軟體方面,PDA系統一般有專用的嵌入
式操作系統和軟體開發調試移植環境.
個人傳呼信息的特點是單條傳呼信息長度變化
較大,20~50個字元不等.最為常見的是"請回電
話***";傳呼信息涉及到的字元數量較大,字元
語音合成時運算量大,單字元合成後語音數據佔用
的存儲空間多;需要事先建立字元語音庫等.
由於具體硬體環境的限制,傳呼信息的特點和
語音合成的要求,該功能能夠實現的前提有:語音
庫佔用的空間小;字元合成時速度要快;採用前台
進行字元語音合成時,以後台中斷方式進行合成語
音的播放來保證其實時性和連續性.
2具體實現
下面分別介紹字元語音庫的建立,字元語音合成
演算法,本PDA系統的框架結構和語音中斷服務常式.
2.1建立字元語音庫
我們選用G.729語音壓縮編碼標准來建立語音
庫.該標准採用的演算法是共軛結構的代數碼激勵線
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性預測(CS-ACELP),是基於CELP(碼激勵線性預
測)編碼模型的演算法.這種編碼規范的嚴格性使性
能達到或超過了32 Kbps的G.726 ADPCM編碼,具
有很高的語音質量;同時,它是在語音信號8 KHz
取樣的基礎上得到16 bit線性PCM後進行編碼的,
壓縮後的數據速率僅為8 Kbps,具有相當於8:1的
高壓縮率.其演算法延遲少於16 ms.由於G.729編解
碼器能夠實現很高的語音質量和很低的演算法延時,
因此被廣泛地應用.
字元語音庫是一個單字發音語音數據的集合,
各段數據之間相互獨立,不具有相關性.語音庫包
含了國標一,二級字型檔中的所有6763個漢字,10個
阿拉伯數字和26個英文字元的標准普通話語音數
據.每個漢字或字元發音時長為0.65 s,採用8 KHz
抽樣頻率,使用了G.729A語音編碼演算法對上述的語
音數據進行壓縮,壓縮後的數據速率為8 Kbps,相
當於具有8:1的高壓縮率.在漢字中,同音字佔了
相當大的比例,而在語音合成中對於同音字的處理
是沒有區別的,故近7000個漢字,我們只存儲1123
個不同的發音.經過同音字處理和採用G.729A標准
壓縮字元語音數據,則最終建立的語音庫文件大小
為729 950位元組,完全符合本PDA系統的數據存儲
要求;否則,語音庫數據量太大,本PDA系統不
能接受!
建立一個語音壓縮資料庫的具體步驟如下:
◇ 將數字和常用漢字的標准發音獨立地錄入到
數據文件中,作為基礎數據.使用cooledit2000軟
件完成語音的錄入.
◇ 對於輸入數據,按照每幀10 ms(80個樣點)
的長度,將A_law語音通過簡單換算變成16 bit PCM
數據,作為編碼演算法的輸入.
◇ 按照G.729A演算法標准,對數據進行編碼.
◇ 將編碼後的數據轉換為二進制比特流,寫
入語音庫文件中.壓縮後數據速率為8 Kbps,具有
相當於8:1的高壓縮率.
用C語言實現這一過程的程序流程如圖1所示.
字元語音庫的建立是在Windows平台及Visual
C++編程環境下實現的,最終壓縮處理後數據量的
大小為729 950位元組,每個字元語音數據的大小是
650位元組.
2.2語音合成
當收到個人傳呼信息時,語音合成程序首先從
指定位置獲取傳呼信息數據,然後在語音庫中查找
每個漢字,阿拉伯數字或者英文字元的發音,重組
一個數據文件.解碼程序對該文件進行解碼並且輸
出原始語音.語音合成流程如圖2所示.
語音合成過程首先是當前字元在語音庫的定
位.對於10個阿拉伯數字和26個英文字元,將其
放在語音庫開頭.這些字元的查找比較方便.漢字
是2位元組存儲,我們依據其區位碼來作為語音庫中
的定位索引.字元語音庫檢索結束後的語音壓縮數
頭文件,全局變數,函數原型的說明
輸入語音文件及壓縮後的碼文件名
初始化編碼器,包括濾波器狀態的初始
化及語音,激勵等緩沖區的初始化
語音文件是否結束
讀1幀語音(80點)(A_Law)
轉換成16bit線性PCM
將參數碼字轉成串列碼
流,再轉成碼字codeword
寫文件
結束
編碼主函數Coder_ld8a()
Y
N
圖1 字元語音庫的建立流程圖
查找語音庫,將尋呼文字信
息替換為壓縮語音文件
解碼器初始化
碼文件是否結束
讀取1幀數據,並
轉換成二進制碼流
解碼主函數
輸出數據變為A_LAW信號
語音播放
結束
Y
N
圖2 語音合成流程圖
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據作為該字元解碼過程的輸入.
數據解碼過程可以分為參數解碼和重構信號後
處理2部分.首先要從輸入的數據中提取參數符
號,對這些符號解碼之後,可以獲得相應於10 ms
話音幀的編碼器參數.這些參數包括線性預測系
數,自適應碼本矢量,固定碼本矢量以及它們的增
益.解碼之後的參數用來計算重建語音信號.得到
重構語音信號只有通過後處理過程來對該信號進行
放大,包括後向濾波,高通濾波以及按比例因子擴
大,最後得到原始的語音數據.
字元解碼器原理如圖3所示.
2.3PDA系統的體系結構
PDA系統的硬體體系結構如圖4所示.
PDA系統中嵌入式處理器EP7211進行數據處
理,傳呼解碼晶元接收傳呼信息並進行解碼, LCD
提供數據輸出顯示,觸摸屏提供用戶輸入介面,
Flash用來存儲應用程序和數據,SRAM為程序運行
提供內存空間,電源電路為嵌入式處理器和外圍設
備提供所需要的工作電壓.
嵌入式處理器EP7211是Cirrus Logic公司專門為
低成本,超低功耗的嵌入式應用設計的,包含
ARM7TDMI處理器內核和豐富的外圍介面.外圍接
口有CODEC音頻介面,SPI串列A/D介面,單色LCD
介面,DRAM介面,紅外介面,2個PWM介面,實
時時鍾RTC以及電源檢測介面.EP7211的內核電路
工作在2.5 V,而外圍電路工作在3.3 V;可根據具
體情況對內核的
時鍾進行動態編
程式控制制,可工作
在18,36,49和74
MHz.另外EP7211
還有3種基本供
電模式:正常操
作(operating),
空閑(idle)和等
待(standby).在
等待模式,主時
鍾被關斷,整個
CPU及相關外圍
(除中斷和RTC)
也關斷,但可通
過中斷或按鈕來
喚醒.
系統軟體開發平台採用了我們自主開發研製
的,專門面向嵌入式應用系統開發的XGW平台.
XGW開發平台採用消息驅動機制,是C語言開發.
它功能強大,模塊化設計,擴展性強,產品升級容
易,總體框架如圖5所示.
圖5全面反應了XGW開發平台的體系結構,包
括事件消息驅動機制,內存管理,字元和圖形顯示
輸出,圖形組件庫等.圖形組件庫中的編輯框,列
表框,按鈕等為用戶應用程序開發提供了系統應用
編程介面API.不過,XGW平台對於系統硬體的中
斷響應沒有提供統一的入口和出口,需要開發人員
單獨處理.XGW開發平台的消息分為滑鼠消息,鍵
盤消息和定時器消息等3類.
2.4語音中斷服務常式
嵌入式處理器EP7211本身提供的外設語音錄放
Codec(coder/decoder)晶元可以實現語音的錄入和
適應碼
向量解碼
增益解碼
固定碼
向量解碼
結構激勵
MA碼增
益預測
11
,GBGA
22
,GBGA
)(nv
間隔延時
p
g^
^
c
g^
11
,CS
22
,CS
)(zP
)(nc
編碼序號
LP綜合
濾波器
)(nu
後濾波器
)(^ns
高通上標定
)(nfs
LSP解碼內插值)(^zALSF
LSP序號
3210
,,,LLLL
每幀
每子幀
210
,,PPP
圖3 字元解碼原理框圖
天線
LCD
觸摸屏
時鍾,復
位,喚醒射頻輸入
FlashSRAM電源管理
串列口
紅外口
傳呼解
碼晶元嵌入式
處理器
EP7211
收音設備
語音錄放電路
圖4 硬體結構
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播放功能.該模塊提供2個獨立的16位元組長的數據
發送和接收緩沖區(FIFO),其為全雙工模式,數
據收發速率是64 kbps.晶元自身提供工作時鍾,定
時脈沖以及數據的串/並和並/串轉換功能.編程
人員通過設置EP7211相應的控制寄存器使能這些項
功能,則每當數據收發緩沖區半慢或者半空時(8
位元組),晶元自身就會產生一次中斷信號供外部處
理.理論計算晶元中斷速率是1 ms/次.
語音播放中斷服務常式主要完成的工作是,當
產生語音中斷時,仍然有數據需要播放,則向語音
數據發送緩沖區FIFO中寫入指定數據,剩下的工
作由Codec晶元本身來完成.中斷服務常式ISR的
偽代碼如下(因為具體實現代碼沒有通用性,故此
處用偽碼描述):
void IRQ_Codec_Handler(void)
{
while(檢測系統狀態寄存器,發現語音晶元數據發送緩
沖區FIFO非滿)
{
if(已經播放過的語音數據長度 = 給定的需要播
放的語音數據長度) //結束
{
禁止數據發送緩沖區中斷;
復位各相關的全局變數;
程序返回;
}
}
else
{
向語音晶元發送數據緩沖區FIFO寫入默認數據
系統調用
通用開
發控制項字元輸出圖形輸出
內存管理用戶自
定義控制項
事件消息驅動
硬體中斷
執行
ISR
中斷返回
硬體中斷
執行
ISR
中斷返回
用戶級應用程序
圖5 XGW平台的軟體體系結構
0XFF;
}
}
}3試驗結果和分析
由於在設計階段充分考慮過語音合成演算法的
大運算量和系統的實時性要求,故我們在具體實
現的時候也採取了一些措施,比較突出的有:用
ARM匯編語言來實現關鍵性的函數代碼;語音合
成時提高處理器EP7211的工作頻率(處理器正常
工作頻率是18 MHz);對於一些常用的三角函數計
算,採用查表的方式等來加快程序執行速度.在
PDA樣機測試中,單字元合成時間在650 ms左右,
基本上能夠滿足實際應用需求.數據語音庫經過
處理之後,佔用了729 560位元組也能夠滿足本PDA
系統的存儲要求.
當PDA系統收到1條個人傳呼信息時,在語音
庫的支持下,立刻啟動語音合成演算法,逐個進行字
符語音合成.當第1個字元語音合成結束後,立刻
啟動語音中斷服務常式進行語音播放.這樣收到的
個人傳呼信息,在前台逐個字元解碼時,其後台語
音播放也在進行.根據實際測試參數,基本上滿足
了系統的實時性要求.
從一定角度看,單字元650 ms的語音合成時間
基本能夠滿足實際應用需要,但還是希望能夠進一
步減小這個值.這由於我們對ARM處理器的使用
還處在研究階段.ARM本身提供了16位的Thumb
指令集和32位的ARM指令集,而且兩者在某些方
面表現出較大差別.一般來講,Thumb代碼長度是
ARM代碼長度的65%,而執行效率要比後者高出
60%.但在某些方面,32位的ARM指令集也會表
現出其優於16位Thumb指令集的強大功能;同時
該處理器系統支持ARM指令集和Thumb指令集混
合編程模式.隨著對二者差別和各自優勢的深入理
解,結合本系統的硬體體系結構,採用有效的指令
集混合編程模式將會使程序執行效率進一步提高,
從而使實時性得到進一步加強.
參考文獻
1Cirrus Logic公司. EP7211數據手冊
2馬忠梅. ARM嵌入式處理器結構與應用基
礎. 北京:北京航空航天大學出版社,2002
3Gibson Jerry D,等. 多媒體數字壓縮原理與
標准. 李煜暉等譯. 北京:電子工業出版社,2000
『貳』 有關單片機英文文獻的
TC8831F系列晶元的語音復讀機的改進方案
文章作者:北京清華大學電子工程系 溫仲文
文章出處:電子技術應用
摘要:提出了一種對基於TC8831F系列晶元的數字語音復讀機進行改進的方案.該方案能夠以很低的軟硬體
代價,將復讀機的語音記錄時間延長到原來的4倍,或者在不縮短語音記錄時間的情況下大大降低復讀機的
製造成本,非常值得在使用此系列晶元的語音產品中推廣應用.
關鍵詞:專用語音晶元 語音復讀機 DRAM 存儲器容量擴展
TC8831F系列晶元是東芝公司生產的一款低成本高性能的數字語音錄放專用集成電路.TC8831F晶元是一塊
數模混合的大規模集成電路,其結構框圖如圖1所示.內部集成了構成典型數字語音錄放系統所需要的大部分功能電路,包括
兩級可選用的總增益達46dB的話筒信號放大器,A/D,D/A,ADPCM壓縮及解壓縮電路(支持的比特率為32/
22/16/11kbps可選) 熏輸出語音帶通濾波器,外接DRAM介面電路 熏MCU控制單元介面電路.使用該晶元,
只需外接DRAM,MCU和輸出端的音頻功放電路等少量電路就可實現一個典型的錄放音系統.該晶元具有功能齊全,應用
電路結構簡單,操作控制方便,功耗低以及使用廉價的DRAM作為語音存儲介質等優點,因此成本低廉,被廣泛應用於對成
本非常敏感的一些海量生產的民用產品中,如語音復讀機,電話答錄機,留言系統等.
TC8831F晶元的DRAM介面最多可以支持4片4M×1bit的DRAM(或者燒錄好的ROM)作為語音存
儲介質.在高質量的32kbps采樣速率下,能夠記錄語音大約512s,熏所以市場上的這類語音復讀機的錄音時間大部分
都是500s上下.為了降低成本,延長語音記錄時間,增強產品在市場上的競爭力,應廠家要求,我們對基於TC8831
F的復讀機的電路作了改進,以極小的硬體代價和很小的控制軟體修改量,成功地將TC8831F外接DRAM的介面能力
從4片4M×1bit 擴展到4片16M×1bit(DRAM選用日立公司的HM5116100).
1 硬體修改工作
TC8831F外接4片4M×1bit DRAM時的電路連接如圖2所示.4M×1bit DRAM的地址匯流排有2
2位,分為高位地址即行地址(Row address)和低位地址即列地址(Column address),兩者通過
分時復用,共用11根引腳A0～A10,每片DRAM的定址范圍為000000H～3FFFFFH,各片DRAM通過
不同的CAS信號線來區別(見圖3).在TC8831F內部,4片DRAM聯合定址,因此定址范圍是000000H～
FFFFFFH.相鄰存儲器晶元之間,系統自動切換,無需用戶干預.針對不同的系統讀寫速度要求,DRAM有多種不同
的讀寫模式和存儲單元的數據刷新方式.在本系統中,由於所需要的數據速率非常低,所以讀寫模式是最簡單的普通讀寫模式,
也就是讀寫每一位數據之前發送完整的地址信號,包括行地址和列地址,然後進行讀寫;而刷新模式採用cas-befor
e-ras方式,並將刷新脈沖穿插到讀寫時序中間.圖3示出了TC8831F的DRAM介面的刷新,寫數據和讀數據的
控制線時序圖(數據時序略).
將TC8831F外接和DRAM從4片4M×1bit 擴展到4片16M×1bit之後,存儲器的定址空間增加到
原來的4倍,因此DRAM的地址將增加兩位,也就是說增加了一根地址引腳.4片16M×1bit的DRAM除了A11
引腳外,其它引腳的連接和圖2所示的4片4M×1bit的連接完全相同.對於A11引腳,需設計適當的邏輯控制電路以
生成所需的時分控制信號,用以模擬該地址線的定址控制信號.經過分析,採用MAX plus II模擬以及實際電路驗證,
A11引腳的控制信號可以通過圖4所示的簡單電路擴展得到.16M×1bit的DRAM的地址線有12根,對應著24
位的地址ad0～ad23,按照DRAM的地址線分時復用的原則,ad12～ad23是高位地址線(行地址),ad0～
ad11是低位地址線(列地址).但由於TC8831F在讀寫DRAM單元時使用普通的讀寫模式(區別於快速讀寫模式),
讀寫每一位數據之前都發送完整的地址信號,即先輸出行地址,然後輸出列地址,這樣就為用簡單的邏輯電路實現存儲器定址
范圍的擴展提供了可能.
擴展地址線模擬波形如圖5所示.XIN,/RAS,/CAS分別是該晶元的時鍾源,DRAM行選通信號,DRAM
列選通信號,PAGE0,PAGE1是由MCU輸出的頁面選擇信號.在"PAGE1,PAGE0"分別為"00","0
1","10","11"時,A11引腳的控制信號在/RAS,/CAS的下降沿到來之前有效地建立了復用的地址信號
00,01,10,11,這個信號就是訪問不同的空間所需要的地址信號.擴展之後,訪問DRAM的邏輯地址到DRAM
的實際的物理地址的映射關系如圖6所示,上面的是邏輯地址,下面的是物理地址.映射之後,DRAM的A0～A10引腳
對應著存儲單元的邏輯空間低22位地址.因此在引腳A11的信號確定的情況下,就將由引腳A0～A10所能訪問的每片
DRAM上的各個分散的物理存儲空間映射成連續的邏輯空間,每片DRAM對應的這個連續的邏輯空間大小就是4M×1b
it,相當於擴展前的一片DRAM,4片16M×1bit DRAM對應的4片邏輯連續空間的總和與使用四片4M×1b
it DRAM時提供的空間將是完全一樣的.改變A11的控制信號,也就是通過MCU改變PAGE0,PAGE1,將獲
得4塊不同的存儲空間,從而完成最終的存儲空間的擴展.
圖4 擴展地址線電路原理圖
經過擴展之後,DRAM的刷新脈沖(Cas-Before-Ras Mode)間隔不變,但是晶元的容量增加到原
來的4倍;每一個刷新脈沖刷新一行信息,所以刷新周期延長到原來的兩倍.但是延長之後的刷新周期仍然在DRAM的許可
范圍之內,完全保證了DRAM內數據的安全性.實際上,在使用具有待機模式的TC8832F晶元的系統中,採用這種改
進方案,雖然待機情況下刷新周期已經超過了DRAM的晶元手冊的規定值,但是經過大量的長時間的樣機測試,證明該方案
仍然是可靠的.
2 軟體修改工作
上面介紹的存儲空間擴展方法,除了PAGE0,PAGE1外,無需來自MCU的任何干預,工作情況和以前完全一樣.
MCU的控製程序所需要做的修改工作就是產生所需要的PAGE0,PAGE1控制信號,並作記錄.也就是在錄音開始時,
輸出某PAGE0,PAGE1信號,在語音存儲空間用完的情況下,自動地通過PAGE0,PAGE1將存儲空間切換到
下一個頁面,直到錄音結束或者所有存儲空間耗盡為止.然後記錄下該段語音信息的開始地址,結束地址(包括PAGE0,
PAGE1).放音的時候,讀出地址信息,然後設定語音存儲空間的的起始地址(包括設定PAGE0,PAGE1),就
可以放音了.如果語音存儲空間跨頁面,則在當前頁面放音完畢之後自動切換到下一個頁面(修改PAGE0,PAGE1),
繼續放音,否則停止放音.也就是說,只需要在原來的控製程序的基礎上增加PAGE0,PAGE1的控制部分和信息存儲
部分.
3 應 用
利用上述方案對某語音產品實現了成功的改進.改進後的產品在高質量的32kbps的比特率下,語音記錄時間延長到
35分鍾;使用較為滿意的16kbps的比特率,錄音時間延長到大約70分鍾.而這種改進工作所付出的硬體成本非常小,
控制軟體則是在原來的基礎上作了非常小的修改.
還可以看到,如果不需要延長語音記錄時間,使用這種方法可以將外接的存儲器減少到一片16M×1bit,這樣就可
以減少晶元數量,降低功耗,縮小PCB面積和線路板體積,對海量生產的復讀機等語音產品帶來非常明顯的經濟效果,值得
推廣使用
………………
……
…
『叄』 單片機控制語音模塊
單片機控制語音模塊功能特點：
1、語音內容存儲在外掛SPI FLASH中，可重復擦寫100000次以上，保存時間超過100年；
2、主控晶元採用九芯高性能語音DSP，NV020作為主控；
3、簡潔易用的操作方式（三線串口）；
4、可以存入WAV、ADPCM格式的文件，語音可以組合播放以節省存儲空間；
5、兩種輸出方式（DAC以及PWM輸出，DAC可外接功放輸出，PWM可直接驅動0.5W喇叭）；
6、可外掛1Mbit~128Mbit容量SPI FLASH快閃記憶體，語音時長40秒~2560秒（6K采樣率計算）；
7、靈活的分段放音操作，可方便地控制任意段語音播放，語音組合極大地節省空間；
8、音質好、性能高，物美價廉；
9、 有忙狀態電平信號指示；
10、內置DSP高速處理器，響應時間極短，接收完指令到播放，響應時間控制在微秒級范圍；
11、電壓工作范圍2.7V~3.6V；
12、靜態電流30uA，可滿足大多數低功耗場合。
『肆』 我在做畢業設計 需要將單片機採集來的語音數據壓縮 想用ADPCM 但是單片機採集的是12位ADC
關鍵不是ADC的位數，12位已不錯了，人家過去有8位的音效卡，用單片機採集音頻的弱點在採集速度，採集頻率能否達到44.1KHZ,這么高的頻率，每秒產生的數據量是很大的，內存肯定不夠用，要保存在SD卡或FLASH上,也要花費時間，32位ARM也很吃力，因此不宜直接採用單片機進行音頻採集，需用專用錄音或播放晶元才行，如原子鍾的單片機開發板採用WM8978實現錄放音功能的